JP2007028886A

JP2007028886A - センサレスｂｌｄｃモータの制御方法

Info

Publication number: JP2007028886A
Application number: JP2006145268A
Authority: JP
Inventors: Heung Gyun Noh; 興均盧
Original assignee: Samsung Gwangju Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-02-01
Also published as: KR100791814B1; ITTO20060322A1; CN1897448A; US7486037B2; KR20080000001A; BRPI0601769A; US20070013330A1

Abstract

【課題】比較器に入力される基準電圧を変更して新しい基準点として設定し、この新しい基準点を用いてＺＣＰを検出することで、不均一なＺＣＰ検出を防止できるセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法を提供する。また、新しい基準点を用いて検出されたＺＣＰに対応して相転換時点を補正することで、電流リップルを低減して安定的に制御できるセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法を提供する。
【解決手段】第１の基準電圧に予め設定された所定値を足し算して第２の基準電圧を生成し、該第２の基準電圧を用いてＺＣＰを検出してセンサレス集中巻モータの駆動を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、センサレスＢＬ（ブラシレス）ＤＣモータの制御方法に関するもので、詳しくは、ＺＣＰ（ゼロクロスポイント）検出の失敗による集中巻ＢＬＤＣモータの運転停止を防止できる運転制御方法に関するものである。

一般に、直流モータ（ＤＣモータ）は、印加電圧と速度との線形的な関係によって、速度制御が簡単であり、かつ、広い速度制御範囲を有する。このＤＣモータにおいては、一方向のトルク維持のためにブラッシュが必須的な構成要素であるが、このブラッシュを用いる場合、高速運転が困難になり、ブラッシュの摩耗によって頻繁に維持補修をすべきであり、激しい騷音が発生するなどの問題点があった。

ブラッシュレスＤＣモータ（ＢＬＤＣモータ）は、上記のような従来のＤＣモータの問題点を改善するためのもので、従来のＤＣモータとは異なって、コイルが巻線された固定子と、永久磁石が設けられた回転子と、から構成される。ここで、回転子の永久磁石からの磁束は、固定子コイルに流れる電流によって発生する磁束と相互作用する。ＢＬＤＣモータにおいて、固定子コイルに流れる電流は、固定子の磁束と回転子の磁束との角度が略９０°になるように制御されることで回転力を得られる。このＢＬＤＣモータは、ブラッシュがないために、従来のＤＣモータの問題点を解消しながらも、ＤＣモータの長所をそのまま維持するため、最近広く用いられている。

ブラッシュの使用を避けるために、ＢＬＤＣモータは、一方向のトルク維持のためのインバータスイッチング素子を用いており、このインバータスイッチング素子は、固定子の磁束発生位置を制御する。磁束を適切に制御するために、固定子コイルに対する回転子の位置を決定し、インバータスイッチング素子のスイッチング動作を適切に調整すべきである。回転子の位置を検出するときは、ホールセンサなどのセンサが用いられる。しかしながら、温度及び圧力などの環境的な要因のために、固定子コイルの逆起電圧を測定することで回転子の位置を推測し、ＺＣＰを検出するセンサレス方式が主に用いられる。

ＺＣＰは、固定子から誘起される各相の逆起電圧と基準電圧とを比較して検出するが、ＺＣＰが検出されるとインタラプトが発生し、ＺＣＰの検出後、電気角３０°を過ぎた時点で相転換（フェーズコミュテーション）を行うようになる。

従来の４極６スロットＳＰＭ（サーフェイスパーマネントマグネット）集中巻タイプのＢＬＤＣモータには、磁束鎖交量に変化のない１５°の区間があるが、これら区間で逆起電圧が０になり、不均一なＺＣＰ検出をもたらす。さらに、不均一なＺＣＰ検出によって回転子の位置検出が不均一になり、相転換が回転子の位置に適合しなくなる。このような不均一な回転子の位置検出及び不均一な相転換によって相電流リップルが発生し、この相電流リップルは、ＢＬＤＣモータの振動及び非正常な作動を起こす。その結果、ＢＬＤＣモータにおいては、運転停止の発生によって性能が低下するという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、比較器に入力される基準電圧を変更して新しい基準点として設定し、この新しい基準点を用いてＺＣＰを検出することで、不均一なＺＣＰ検出を防止できるセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、新しい基準点を用いて検出されたＺＣＰに対応して相転換時点を補正することで、電流リップルを低減して安定的に制御できるセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法は、基準電圧に予め設定された所定値を足し算するか、または、基準電圧から予め設定された所定値を引き算して新しい基準電圧を生成し、該基準電圧に対するＺＣＰを検出してセンサレス集中巻ＢＬＤＣモータの駆動を制御する。

また、前記予め設定された所定値は、０より大きく、逆起電圧の大きさに該当する値より小さいことを特徴とする。

また、前記所定値は、比較器の基準電圧が印加される端子に連結される抵抗を調節することで、足し算または引き算されることを特徴とする。

また、前記新しい基準電圧を用いてＺＣＰを検出し、ＺＣＰの検出後、電気角３０°に所定角度を足し算するか、または、電気角３０°から所定角度を引き算して得られた相転換時点で相転換を行い、センサレス集中巻ＢＬＤＣモータの駆動を制御する。

また、前記新しい基準電圧が所定値を引き算して設定された場合、前記所定角度を逆起電圧の上昇区間では足し算し、下降区間では引き算する。

また、前記新しい基準電圧が所定値を足し算して設定された場合、前記所定角度を逆起電圧の上昇区間では引き算し、下降区間では足し算する。

また、前記所定角度は、センサレス集中巻ＢＬＤＣモータのＲＭＰによって変わる値であることを特徴とする。

また、前記相転換は、電流リップル低減角度によってさらに補正された転換時点で行われることを特徴とする。

また、前記電流リップル低減角度としては、予め設定された所定のＲＭＰを越える高速駆動時、転換時点を補正するために１０〜１５°の角度を適用することを特徴とする。

また、前記センサレス集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータは、４極６スロットＳＰＭタイプであることを特徴とする。

本発明に係る集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法は、ＺＣＰ検出のための基準電圧を変更することで、不均一なＺＣＰの検出を防止でき、かつ、新しい基準点を用いて検出されたＺＣＰに対応して相転換時点を補正することで、センサレスＢＬＤＣモータの安定した制御を誘導できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。

図１は、センサレスＢＬＤＣモータの駆動装置を示したブロック図である。図１に示すように、前記駆動装置は、整流部１２、インバータ１３、ＢＬＤＣモータ１４、端子電圧検出部１５、制御部１６及び電流センサ１７から構成される。整流部１２は、ＡＣ電源１１を受けてＡＣ電源１１を整流する整流器と、この整流されたＡＣ電源１１を平滑する平滑コンデンサと、を含む。この整流・平滑されたＡＣ電源１１は、インバータ１３に入力されるＤＣ電圧を提供する。インバータ１３は、トランジスタと、このトランジスタに逆並列に接続されたダイオードと、を含み、トランジスタは、制御部１６からの駆動信号に応じてスイッチオン・オフにし、ＢＬＤＣモータ１４に供給された入力ＤＣ電圧を制御する。また、インバータ１３は、トランジスタのスイッチングを制御することでＢＬＤＣモータ１４に３相電源を提供する。ＢＬＤＣモータ１４は、固定子及び回転子を含み、ＢＬＤＣモータの固定子は、インバータ１３のスイッチングによって３相電源を受けて回転磁界を形成し、ＢＬＤＣモータの回転子は、固定子の回転磁界との相互作用によって回転する。端子電圧検出部１５は、ＢＬＤＣモータ１４の固定子から発生する逆起電圧を入力し、それを基準電圧と比較し、ＺＣＰを検出し、回転子の位置情報を抽出し、その位置情報を制御部１６に伝達する。制御部１６は、回転子の位置情報に基づいてＢＬＤＣモータ１４の速度を計算し、この計算された速度を用いてＢＬＤＣモータ１４の速度制御のためのＰＷＭ（パルス幅変調）パターンを発生する。電流センサ１７は、ＢＬＤＣモータ１４に印加される負荷を判断するために電流を検出し、この検出された電流データを制御部１６に伝達する。

また、図２は、センサレスＢＬＤＣモータのＺＣＰを検出するためのＺＣＰ検出回路を示した図である。ＺＣＰ検出回路は、比較器２１、２２、２３を含み、これら比較器２１、２２、２３においては、中性点電圧Ｖｄｃが抵抗Ｒ_３を通して基準入力として反転端子に入力され、かつ、３相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗが抵抗Ｒ_１、Ｒ_２を通して分圧された後で非反転端子に入力される。その後、比較器２１、２２、２３は、分圧された３相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと基準入力とを比較し、その比較結果

を制御部１６に出力する。

以下、上記の構成を有するセンサレスＢＬＤＣモータの駆動装置の動作を説明する。

まず、ＡＣ入力電源１１は、整流部１２を通して整流及び平滑されてインバータ１３に入力される。インバータ１３は、制御部１６の制御信号に応じて各トランジスタをターンオン・オフにすることで、入力された電源を３相の電圧に変換する。その後、回転子の位置に基づいて、変換された３相の電圧が固定子に印加されることでＢＬＤＣモータが制御される。

端子電圧検出部１５は、逆起電圧が変わる区間を検出するが、以下、これを図２に基づいて説明する。すなわち、中性点電圧Ｖｄｃは、抵抗Ｒ_３を通して各比較器２１、２２、２３の反転端子に入力され、各相の逆起電圧は、抵抗Ｒ_１、Ｒ_２によって分圧された後で各比較器２１、２２、２３の非反転端子に入力される。その後、各相の逆起電圧と中性点電圧Ｖｄｃとが比較され、その比較結果が出力電圧

としてそれぞれ出力される。

このとき、逆起電圧の極性が陽から陰に、または、陰から陽に変わるときにＺＣＰが検出される。一般に、ＺＣＰが検出されると、インタラプトが発生する。よって、相転換を回転子の位置及び感知された電流センサ１７の電流値を用いて計算し、ＰＷＭパターンをインバータ１３に伝達することで、ＢＬＤＣモータ１４が制御される。

従来の４極６スロットＳＰＭタイプのＢＬＤＣモータには、各固定子スロットの左右に磁束鎖交量に変化のない１５°の区間がある。これら区間では、逆起電圧が０になって不均一なＺＣＰの検出をもたらす。さらに、不均一なＺＣＰの検出によって回転子位置の検出も不均一になり、相転換が回転子の位置に適合しなくなる。また、このような不均一な回転子位置の検出及び不規則な相転換によって、ＢＬＤＣモータに振動または非正常な動作が発生する。その結果、ＢＬＤＣモータは、運転停止の発生によって性能が低下する。

図３は、４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータにおける磁束鎖交量に変化のない区間を示した図である。４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータでは、２４スロット分布巻タイプのＢＬＤＣモータとは異なって、極間隔が９０°で、固定子スロット間隔が６０°である。固定子３１の相巻線から誘導された逆起電圧は、磁束鎖交量の変化によって発生する。図３に示すように、４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータにおいては、固定子スロット間隔の左右の相巻線に対して磁束鎖交量に変化のない１５°の区間３３が二つあり、これら区間では逆起電圧が０である。

図４は、４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータにおける逆起電圧の波形を示した図である。図４に示すように、逆起電圧が０の区間があり、これら区間によって不均一な回転子位置の検出及び不規則な相転換をもたらし、相電流リップルが発生する。さらに、この相電流リップルは、ＢＬＤＣモータの振動や非正常な動作を起こす。その結果、ＢＬＤＣモータにおいては、運転停止の発生によって性能が低下する。

図５は、上記の問題点を改善するための本発明に係るＺＣＰ検出方法を示した図である。図５に示すように、従来の基準電圧は

であり、従来の基準電圧から所定値ａを引き算して新しい基準電圧

を設定した。図２に示すように、基準電圧は、抵抗Ｒ_３、Ｒ_４によって分圧されて各比較器の反転端子に入力されるが、抵抗Ｒ_３、Ｒ_４の抵抗値を調整することで、新しい基準電圧が各比較器に入力される。すなわち、新しい基準電圧が

から導出され、各比較器の反転端子に入力される。そのため、例えば、新しい基準電圧を０．８Ｖｄｃに設定するために、Ｒ_３及びＲ_４の抵抗値は、Ｒ_４＝４Ｒ_３になるように定められる。前記所定値ａは、０より大きく、逆起電圧の大きさに該当する値より小さい。また、所定値ａは、ＺＣＰを安定的かつ均一に検出するために用いられる。その結果、本発明は、逆起電圧が０の区間によって発生する問題点を防止できる。

新しい基準電圧を用いてＺＣＰを検出した後、所定時点が経過した後で相転換を行う。一般に、ＺＣＰの検出後、電気角３０°を過ぎてから相転換を行うが、本発明では、新しい基準電圧を用いてＺＣＰを検出するので、従来のような相転換を行うと、相転換が回転子の位置に適合しなくなる。図５から分かるように、元の基準電圧

を用いて検出されたＺＣＰと、新しい基準電圧

を用いて検出されたＺＣＰとの間に電気角μだけの差がある。したがって、逆起電圧の上昇区間では、ＺＣＰの検出後、電気角３０＋μを過ぎてから相転換を行い、逆起電圧の下降区間では、ＺＣＰの検出後、電気角３０−μを過ぎてから相転換を行うように従来の相転換時点を補正すべきである。このとき、μ値は、新しい基準電圧を導出するために足し算または引き算される所定値ａ、及び現在のＲＭＰによって変わる。したがって、μ値は、新しい基準電圧を導出するために、予めどの値ａを足し算または引き算するかを決定した後、実験によってその値を決定する。

また、所定値ａが元の基準電圧から引き算される図５の場合とは異なって、所定値ａに元の基準電圧を足し算して他の新しい基準電圧を導出することもできる。この場合、図５の場合と同様に、元の基準電圧

を用いて検出されたＺＣＰと、新しい基準電圧

を用いて検出されたＺＣＰと、の間に電気角μだけの差がある。しかし、図５の場合とは異なって、所定値ａに元の基準電圧が足し算されると、逆起電圧の上昇区間では、ＺＣＰの検出後、電気角３０−μを過ぎてから相転換を行い、逆起電圧の下降区間では、ＺＣＰの検出後、電気角３０＋μを過ぎてから相転換を行うように、従来の相転換時点が補正される。

通常の逆起電圧が台形の波形を有するＢＬＤＣモータに矩形波の相電流を印加すると、リップルのないトルクが発生する。そのため、電流源インバータを用いるとよいが、比較的高価であり、一般的に電圧源インバータを用いる。しかし、この電圧原インバータにおいては、理想的な矩形波の相電流を供給できないため、相転換時に電流リップルが発生することになる。特に、高速領域では電流リップルが大きくなるため、電流リップルを低減する必要がある。したがって、電流リップルを低減するために、相転換時点を決定するのに電流リップル低減角度（進み角）を適用する。この電流リップル低減角度の値は、実験によって決定されるが、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、通常、３０００ＲＭＰ以上の高速運転領域で約１０〜１５°の電流リップル低減角度を適用すると、電流リップルが確実に減少する。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明に係る補正角を適用する前、及びその後の相電流の波形を示している。図６Ａに示すように、従来の基準電圧が適用される場合、逆起電圧の上昇区間では、電気角μだけ速くＺＣＰを検出し、ＺＣＰの検出後、電気角３０°を過ぎてから相転換を行い、逆起電圧の下降区間では、電気角μだけ遅くＺＣＰを検出し、ＺＣＰの検出後、３０°を過ぎてから相転換を行う。したがって、相転換時点は、上昇区間ではμだけ速く、下降区間ではμだけ遅れるため、相転換の区間が非均等になることが分かる。その反面、本発明では、図６Ｂに示すように、新しい基準電圧を適用してＺＣＰを検出し、相転換をμだけ補正して行うことで、相転換区間が均等になることが分かる。

図７Ａ及び図７Ｂは、本発明に係る補正角及び電流リップル低減角度を適用する前、及びその後の相電流の波形を示している。図７Ａに示すように、従来の基準電圧を適用し、電流リップル低減角度を適用して相転換時点を補正した場合、電流リップルが図６Ａの場合よりも小さくなるが、相転換区間は相変らず非均等であることが分かる。その反面、本発明で、図７Ｂに示すように、新しい基準電圧を適用し、相転換時点をμだけ補正して電流リップル低減角度を適用した場合、相転換区間が均等になり、電流リップルも低減したことが分かる。

センサレスＢＬＤＣモータの駆動装置を示したブロック図である。センサレスＢＬＤＣモータのＺＣＰ検出回路を示した回路図である。４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータにおける磁束鎖交量に変化のない区間を示した図である。４極６スロットＳＰＭ集中巻タイプのＢＬＤＣモータにおける逆起電圧の波形を示した図である。本発明に係るＺＣＰ検出方法を示した図である。本発明に係る補正角を適用する前、及びその後の相電流の波形を示した図である。本発明に係る補正角を適用する前、及びその後の相電流の波形を示した図である。本発明に係る補正角及び電流リップル低減角度（進み角）を適用する前、及びその後の相電流の波形を示した図である。本発明に係る補正角及び電流リップル低減角度（進み角）を適用する前、及びその後の相電流の波形を示した図である。

符号の説明

１１ＡＣ電源
１２整流部
１３インバータ
１４ＢＬＤＣモータ
１５端子電圧検出部
１６制御部
１７電流センサ

Claims

第１の基準電圧に予め設定された所定値を足し算して第２の基準電圧を生成し、
該第２の基準電圧を用いてＺＣＰ（ゼロクロスポイント）を検出してセンサレス集中巻モータの駆動を制御する集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記予め設定された所定値は、０より大きく、逆起電圧の大きさに該当する値より小さいことを特徴とする請求項１に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記予め設定された所定値は、比較器の端子に入力される基準電圧に連結された一つ以上の抵抗を調節することで、足し算されることを特徴とする請求項１に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
センサレス集中巻方式のモータは、４極６スロットＳＰＭ（サーフェイスパーマネントマグネット）であることを特徴とする請求項１に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
第１の基準電圧から予め設定された所定値を引き算して第２の基準電圧を生成し、
該第２の基準電圧を用いてＺＣＰを検出してセンサレス集中巻モータの駆動を制御する集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記予め設定された所定値は、０より大きく、逆起電圧の大きさに該当する値より小さいことを特徴とする請求項５に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記予め設定された所定値は、比較器の端子に入力される基準電圧に連結された一つ以上の抵抗を調節することで、引き算されることを特徴とする請求項５に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
センサレス集中巻方式のモータは、４極６スロットＳＰＭであることを特徴とする請求項５に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
第１の基準電圧に予め設定された所定値を足し算して第２の基準電圧を生成し、
該第２の基準電圧を用いてＺＣＰを検出し、
ＺＣＰの検出後、電気角３０°に所定角を足し算するか、電気角３０°から所定値を引き算することで得られた時点で相転換を行い、センサレス集中巻モータの駆動を制御することを特徴とする集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記所定角の値は、センサレス集中巻モータの速度によって変わることを特徴とする請求項９に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法
前記所定角は、逆起電圧の上昇区間では引き算され、逆起電圧の下降区間では足し算されることを特徴とする請求項９に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記相転換は、電流リップル低減角度によってさらに補正された後で行われることを特徴とする請求項９に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
１０〜１５°の電流リップル低減角度は、予め設定された速度を越える高速駆動時、相転換を補正するのに適用されることを特徴とする請求項１２に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
第１の基準電圧に予め設定された所定値を引き算して第２の基準電圧を生成し、
該第２の基準電圧に対するＺＣＰを検出し、
ＺＣＰの検出後、電気角３０°に所定角を足し算するか、電気角３０°から所定値を引き算することで得られた時点で相転換を行い、センサレス集中巻モータの駆動を制御することを特徴とする集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記所定角の値は、センサレス集中巻モータの速度によって変わることを特徴とする請求項１４に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記所定角は、逆起電圧の上昇区間では足し算され、逆起電圧の下降区間では引き算されることを特徴とする請求項１４に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
前記相転換は、電流リップル低減角度によってさらに補正された後で行われることを特徴とする請求項１４に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。
１０〜１５°の電流リップル低減角度は、予め設定された速度を越える高速駆動時、相転換を補正するのに適用されることを特徴とする請求項１７に記載の集中巻方式のセンサレスＢＬＤＣモータの制御方法。